Методика расчета производительности гидравлического разрушения угольного массива в очистной заходке Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.И. Воротников, С.Г. Фомичев, 2010

УДК 622.51.72

В.И. Воротников, С.Г. Фомичев

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СРЕДНЕГО ОБЪЕМА ОТЖАТОГО УГЛЯ В ОЧИСТНОЙ ЗАХОДКЕ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ВЫЕМКЕ УГЛЯ ПЛАСТОВ СЛОЕВОЙ СТРУКТУРЫ

Проведены исследования отжима угольного массива по периметру подэтажных штреков в очистных заходках по длине отрабатываемых подэтажей.

Ключевые слова: гидравлическая выемка угля, обрушения отжатого угля, межучастко-вые целики.

ронометражные наблюдения за гидравлической выемкой угля на пластах крутого падения показывают, что полное время на отработку очистных заходок не постоянно по длине отрабатываемых подэтажей. Время затраченное на основные операции забойного пульпоформирования Тпф (разбивку негабаритов и смыв отбитого угля) практически не меняется, а время, затраченное на гидравлическое разрушение угольного массива То изменяется в широком диапазоне, при этом:

- значительно возрастает у межуча-сткового целика;

- снижается в центральной части выемочного участка;

- не значительно возрастает у над-квершлажного целика.

Исследования отжима угольного массива по периметру подэтажных штреков в очистных заходках по длине отрабатываемых подэтажей, включающие:

- замеры параметров естественного свода обрушения отжатого угля, производимые после срезания стоек деревянной рамной крепи струей;

- расчеты объема отжатого угля Vот по периметру выемочных выработок по результатам замеров параметров естест-

венного свода обрушения, которые показывают, что объем отжатого угля Vот не постоянен, изменяется в широком диапазоне:

- имеет нулевое значение у межуча-сткового целика;

- возрастает в центральной части выемочного участка;

- не значительно снижается у над-квершлажного целика.

Анализ результатов хронометражных наблюдений за продолжительностью гидравлического разрушения и замеры объема отжатого угля показывает наличие обратно пропорциональной зависимости между рассмотренными процессами: чем боль-ше объем отжатого угля, тем меньше затраты времени на гидравлическое разрушение угля в очистных заходках.

Основными причинами изменения показателей по длине отрабатываемых подэтажей являются:

- снижение горного давления на угольный массив, в зоне расположенной вдоль межблоковых целиков;

- специфичность гидротехнологии, заключающаяся в цикличном пространственно-временном перемещении подготовительных и очистных забоев.

Исследования процесса обрушения угольного массива под действием сил горного давления показали, что по длине отрабатываемых подэтажей объем первой зоны полного отжима, колеблется в широком диапазоне от нулевого до максимального значения (рис. 1, схема А) и выражается условием

0 < Vот < [Vоml], (1)

где Vо т - текущее значение объема отжатого угля по периметру выемочной выработки за время её ожидания очистных работ; \Уот1\ - придельный объем первой зоны полного отжима угля по периметру выемочной выработки.

Диапазона изменения объема отжатого угля (1) означает, что оставленные пустоты по периметру податливой рамной крепи выработок не приводят к полному отжиму угля.

Одной из основных причин изменения объема зоны отжима является колеблемость времени ожидания очистных работ Тож с каждым метром пройденной выемочной выработки и изменение времени воздействия горного давления на угольный массив.

Минимальное время ожидания выемочной выработкой очистных работ

характерно для части выработки расположенной у межучастковых целиков, где очистные работы начинаются сразу после проведения выемочной выработки при максимальной их длине Тож~0, при 4~ Ьоч; (2)

где Тож - общее время ожидания выемочной выработкой очистных работ; 1в

- текущая длина выработки, как расстояние от границы надквершлавого целика до отрабатываемой очистной за-ходки (её координаты); Ьоч - длина очистного (извлекаемого) контура на выемочном участке

Максимальное время ожидания характерно для части выработки располо-

женной у надквершлавого целика, которое складывается из двух отрезков времени: продолжительности проведения выработки и времени её погашения

Тож~4р+4т при 4~0, (3)

где (пр - продолжительность проведения выработки на длину очистного контура; ^от - продолжительность погашения выработки по длине очистного контура, т.е. время отработки полосы или подэтажа.

В общем случае проведения и погашения выемочных выработок условия (2) и (3) преобразуются в диапазон изменения продолжительности отжима угля и соответствующий ему диапазон изменения длины выемочной выработки 0<Тож<(?пр+?от), при !оч>4>0. (4)

Согласно рассмотренному условию (1-4) начальная часть выемочной выработки, расположенная у межучастковых целиков, практически не подвергается воздействию горного давления и никогда не подвергается воздействию опорного горного давления, что практически исключает отжим угля по её периметру V ~ 0

от

Учитывая условия (1) и (4), погашаемую выемочную выработку и очистной выемочный контур по длине разделят на два участка по фиксируемому объему отжатого угля:

- на первом участке до некоторой переходной длины выемочной выработки 4=Ьоч-4 объем зоны полного отжима нарастает от нулевого значения Vоm = 0 до своего первого придельного значения

Vоm [Vоm1]

0<Vоm<[Vоml], при Ьо<4<Ьоч - 4); (5)

- на втором участке объем зоны полного отжима не меняется по длине погашаемой выработки, если не нарушается крепь опорным горным давлением

Vоm = [^1] = СОтГ, при

(Ьоч - 4) < 1в < 0, (1-7), (6)

Результаты экспериментальных исследований и схемы к расчету объема отжатого угля по периметру заходок в очистном контуре выемочного блока (участка)

где 1п - длина переходной части очистного контура, в которой изменяется первый придельный объем зоны полного отжима угля.

В зависимости от схемы подготовки и требований к объему подготовленного фронта выемочная выработка может проходить несколько циклов нагружения опорным горным давлением с различной интенсивностью. Интенсивность цикличного нагружения зависит от удаленности пройденных выработок от перемещающейся зоны опорного давления, связанной с перемещением очистного фронта.

Средний объем отжатого угля Vоmс в отрабатываемой очистной заходке определяется для двух возможных случаев влияния горного давления на состояние крепи выемочных выработок.

1. Средний объем отжатого угля в очистной заходке при отработке пластов без разрушения крепи выемочных выработок опорным горным давлением (при 1о2 = 0, рис. 1, схема А). Определяется как произведение длины очистной за-ходки Ьз на приведенный полный объем первой зоны полного отжима ^от1] к полной длине Ьоч очистного контура

[Vоm1 ] Ь [^от1 ] 1о1

Ь„. " 3

[^от1](Ьоч ~ 0,5 1п );

(7)

полного отжима угля по длине очистного контура выемочного участка (блока).

2. Средний объем отжатого угля в очистной заходке при отработке пластов с разрушением крепи выемочных выработок опорным горным давлением (при 1о2 Ф 0 рис. 1-1, схема Б). Определяется как произведение длины очистной за-ходки Ь3 на приведенный полный объем первой и второй зон полного отжима [^т1] и ^от2] к полной длине Ьоч очистного контура:

V о _ I*, [Vоm1 ] + [от2 ] _

у отс2 Ь -----------------

3 Ь

оч

, [£ 1] (11 -1,) + [£ ,] I,

_ Т. I- от1 1 ' о1 о 2 ■' I- от! * о2 _

Ь

_ ь

Ь

___3

Ьоч

[Vоm1] [^от1]1о1; 1о1 Ьоч 0,5 (8)

где Vоmс1- средний объем отжатого угля в очистной заходке при отработке пластов без разрушения крепи выработок опорным горным давлением; Ь3 - длина очистной заходки; [^от1] - площадь поперечного сечения первой зоны полного отжима угля по периметру выемочной выработки, с крепью не разрушенной опорным горным давлением при Vоm _ [Vоm1]; 1о1 - средняя длина первой зоны

^ Ьоч - 0,5 1п - 1о1) + [^ ^ ] ;

оч

(9)

[Vоm2] [^от2] 1о2; 1о2 1о1 (1о1.1+1о1.2)

=Ьоч-0,5ln-(lо1.1+lо1.2), (10)

где Vоmс2 - средний объем отжатого угля в очистной заходке при отработке пластов с разрушением крепи выработок опорным горным давлением; [5от2] -площадь поперечного сечения второй зоны полного отжима по периметру выемочной выработки с крепью разрушенной опорным горным давлением при Vоm _ [Уот2\; 1о2 - общая длина второй зоны полного отжима по длине очистного контура выемочного участка (блока); /о11 и 1о12 - длина частей очистного контура с первым придельным объемом зоны полного отжима Vоm _ [Р"от1] соответственно со стороны межучасткового и надквершлавого целика.

Если общую длину второй зоны полного отжима принять раной нулю 1о2 _ 0, то в выражении (9) преобразуется в выражение (7), поэтому уравнение (9) применимо для расчета среднего объема отжатого угля по периметру выемочной выработки в приделах длины одной очистной заходки.

Выражение (9) можно использовать для расчета параметров схем отработки выемочных участков с отра-боткой меж-горизонтного целика как обычного подэтажа. На пластах крутого падения межгоризонтный целик угля оставляется для противопожарной защиты нижнего отрабатываемого горизонта. При оставлении межгоризонтного целика снижается горное давление на верхний подэтаж (первый под межгоризонтным целиком), что приводит к снижению отжима угля.

Средний объем отжатого угля в очистной заходке с учетом его снижения в первом подэтаже при оставлении меж-горизонтного целика определяется по формуле

V = b

L n

оч n

К,„ +

[Vom1] + [Vom2]_ (n _ j)

Ln

оч n

1 _

' 3 I 1------------------

L„. I n_

1 _ К

дальности действия струи гидромонитора Ьоч.

Lo4 L6m

l + l

нц мц

(13)

где Ьбл - высота отрабатываемого горизонта; 1нц - ширина надквершлавого целика угля; 1мц - ширина межблокового целика угля.

После подстановки формул (4.8), (4.10), (4.12) и (4.13) в формулу (4.11) получаем конечное выражение для определения среднего объема отжатого угля в очистной заходке

V =

' omc

b

2L, _ l _ l

бл нц м

1 _(1 _ Ксн) ^

Ч

х( VJ + [Vom 2]) = А. |1 _

Lo4 {

х[ Po-JL _ 0, 51и _ lo2) + [^^ ] , (11) где Vomc - средний объем отжатого угля по периметру выемочной выработки в приделах одной очистной заходки; Ксн -коэффициент, учитывающий снижение отжима угля в первом подэтаже при оставлении межгоризонтного целика (по хронометражным наблюдениям составляет Ксн = 0,5); nn - общее количество подэтажей в выемочном блоке.

Параметры nn и Lo4, входящие в формулу (4.11), выражаются через общепринятые параметры технологических схем

Н

nn= ----—, (12)

hH sin а

где Нг - высота отрабатываемого горизонта; hH - наклонная высота подэтажа, выбранная из условия эффективной

^ [|Л,т1](2Ьй, - 1нц - 1мц - К - 21о 2 ) + 2[$от2] 1о 2 ] .

(14)

Полученное выражение (14) применимо для расчета среднего объема отжатого угля в очистной заходке при любой технологической схеме отработки выемочных участков и соблюдении условий расчета.

1. При отработке пластов без разрушения крепи выемочных выработок опорным горным давлением в схемах принимается:

- отработкой межгоризонтного целика

Кн=1,0 и 1о2 = 0; (15)

- без отработки межгоризонтного целика

Ксн=0,5 и 1о2 = 0. (16)

2. При отработке пластов с разрушением крепи выемочных выработок опорным горным давлением в схемах принимается:

- с отработкой межгоризонтного целика

Ксн = 1,0 и

I -1

1о2_Ьбл--нц—^ -0,5/„-/о,1-/о1.2; (17)

2

- в схемах без отработки межгори-зонтного целика

X

Ксн=0,5 и _ = Н 2 А. = Н 2А.

lо2_Lбл — — -0,5/„-/01.1-/01.2. (18) 1п н 10 ; 1о1Л н 12 ;

2 л/з

В формулах (14), (17) и (18) значения /о12_ Н2------. (19)

параметров 1п, 1о11 и 1о12 рассчитываются 20

с использованием имперических зависимостей полученных по экспериментальным данным

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------

Воротников В.И., Фомичев С.Г.,- Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнеций филиал институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк, rector@sibsiu.ru

------------------------------------- © В.И. Воротников, С.Г. Фомичев,

В.В. Сенкус, 2010

УДК 622.51.72

В.И. Воротников, С.Г. Фомичев, В.В. Сенкус

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА В ОЧИСТНОЙ ЗАХОДКЕ

Предложен метод расчета, позволяющий определить допустимые пределы возможного управления производительностью гидроразрушения за счет регулирования процесса отжима угольного массива посредством целенаправленного оставления зазоров между поверхностью крепи и угольным массивом.

Ключевые слова: гидравлическая выемка угля, гидроразрушения, расчет производительности гидравлического разрушения.

Яаиболее приближенным к ре- заходке является метод, предложенный

альному процессу очистной Фомичевым С.Г. [4], который отражает

гидравлической выемки угля в очистной его операционно-структурную сущ-

ность, и принят в работе за базовый аналог. Основным недостатком этого метода является имперический подход к определению затрат времени на гидравлическое разрушение угольного массива с использованием коэффициента отжима ко предложенного Гефтом Ю.Б. [1-3]. Оба метода расчета одинаково не корректно отражают реальный процесс гидравлического разрушения угольного массива в очистных заходках, но базовый аналог [4] позволяет провести их корректировку с учетом выхода негабаритов при гидроразрушении и объема отжатого угля по периметру выработок, не участвующего в гидроразрушении.

Производительность гидромонитора по гидравлическому разрушению угольного массива определяется через отношение гидравлически разрушаемой массы угля в очистной заходке Мо к затраченному времени То на гидравлическое разрушение

М V

По=— =— Ру , (1)

Т т у

о о

где Мо - гидравлически разрушаемая масса угля в очистной заходке; Vо - гидравлически разрушаемый объем угля в очистной заходке; То - время, затраченное на гидравлическое разрушение угольного массива; ру - средняя плотность угля.

Гидравлически разрушаемый объем угля VI, в заходке определяется как разность между общим объемом добываемого угля Уд и объемом отжатого угля под действием сил горного давления по периметру выемочной выработки

Mо=Mд—Mоmс, Vо=Vд—Vотс, (2)

где Мд - общая масса угля извлекаемая из очистной заходки; Мотс - средняя масса отжатого угля по периметру выемочной выработки в приделах одной очистной заходки; Уд - общий объем угля извлекаемый из очистной заходки;

Vотс - средний объем отжатого угля по периметру выемочной выработки в приделах одной очистной заходки.

При подстановке формулы (2) находится конечный вид выражения (1) для определения производительности гидравлического разрушения угольного массива с учетом отжима угля по периметру выемочной выработки

Мл - м

П0= ~д ~~отс = -д—р . (3) т т у

о о

Структура формулы для определения затрат времени То на гидравлическое разрушение в выражении (3) остается без изменения, но в неё входит другой параметр определяющий затраты времени на гидроразрушение угольного массива 1он с учетом выхода негабаритов на пластах со сложной слоевой структурой То = toн + ^ок + ?оп, (4)

где ?он - время на гидроразрушение угольного массива в очистной заходке с учетом выхода негабаритов; 1ок - время, затраченное на разборку струей крепи выемочной выработки; Хоп - время, затраченное на перемещение струи по боковым породам пласта из-за не контролируемости процесса разрушения.

В выражении (3) время на гидроразрушение угольного массива в очистной заходке 1он определяется с коэффициента КС, учитывающим влияние на производительность гидроразрушения выход негабаритов

tо=

- ( R Л

о мл

РК

Vі 1ХС

К. =

~~м.

Q

(Rу Л2 К .

V Р У

QКt

К,,

л/1 - КН + Кя -1

(5)

(6)

где КС - расчетный коэффициент, учитывающий влияние на производительность гидроразрушения выхода негаба-

2

....... Теоретическая производительность гидроразрушения

Пот без учета выделения негабаритов и отжима угольного массива;

Теоретическая производительность гидроразрушения с учетом выделения негабаритов и отжима угля силами горного давления По;

▲ Экспериментальные значения производительности гидроразрушения по различным пластам с условным приделом прочности угля близким к среднему значению Rу ~ 2,25.

Зависимость производительности гидравлического разрушения угольного массива По от содержания негабаритов в отбитом угле Кн при отработке пластов крутого падения со сложной слоевой структурой при давлении воды Р = 12 МПа и расходе воды Q = 280 м3/ч

ритов при отработке пластов со сложной слоевой структурой.

Теоретическая производительность гидроразрушения рассчитанная для пласта со средним значением условного придела прочности угля Rу=2,25 МПа (рисунок). Выбор значения Rу позволяет сопоставить теоретическую производительность гидроразрушения По с экспериментальными данными полученными при отработке различных пластов с условным приделом

прочности угля изменяющимся в диапазоне Rу = 2,1-2,4 МПа (близком к среднему значению), а также с различными горно-

геологическими условиями их залегания по мощности и углу падения влияющими на содержание негабаритов Кн в отбитом угле.

Анализ производительности гидроразрушения показывает высокую сходимость теоретических значений с экспериментальными данными, полученными при отработке пластов в различных горногеологических условиях, имеющих относительно равномерную слоевую структуру полого залегающих пластов средней мощности, и сложную нарушенную слоевую структуру круто залегающих пластов средней мощности и мощных.

При коэффициенте Кн, учитывающим содержание негабаритов в отбитом угле (6) стремящемся к единице (100%) производительность гидроразрушения По (3) стремится к бесконечности, т.е. при Кн ^ 1,0 По ^ да, что соответствует физическому смыслу струйного избирательного разрушения угольного массива со сложной слоевой структурой, включающей чередование пачек угля с различной прочностью.

Анализ методов расчета производительности гидромониторной выемки позволяет сделать следующие выводы.

1. Метод расчета производительности гидравлического разрушения угольного массива в очистных заходках должен учитывать различные горногеологические и горнотехнические факторы:

- сложную не равнопрочную слоевую структуру пластов залегающих в различных горногеологических условиях по мощности и углу падения влияющих на содержание негабаритов в общей массе отбитого угля;

- отжим угольного массива по периметру выемочных выработок за счет различных пустот: оставляемых между поверхностью крепи и угольным массивом при проведении выработок различными способами выемки угля используемыми при гидротехнологии; образуемых при сжатии забутовочного сыпучего материала под давлением отжатого слоя; образуемых при деформации рамной крепи в приделах упругости её элементов и за приделами их упругости;

1. Гефт Ю.Б., Плетнев О.Н., Хазов В.М., Цапко Н.Ф. К вопросу выявления резервов производительности гидромониторов и энергоемкости гидроотбойки. //Вопросы гидравлической добычи угля: Сб. науч. тр. ВНИИгидроуг-ля. - Новокузнецк, 1966. - Вып. 13. - С. 42-5о.

2. Гефт Ю.Б. Определение влияния мощности пласта на производительность гидромонитора. // Гидравлическая добыча угля. // Сб. науч. тр. вып 15. : ВНИИгидроуголь, 1968. - С.

52-58.

- отжим угольного массива периметру выработок силами горного давления по длине отрабатываемого очистного контура выемочного участка.

2. Предложенный метод расчета позволяет определить допустимые приделы возможного управления производительностью гидроразрушения за счет регулирования процесса отжима угольного массива посредством целенаправленного оставления зазоров между поверхностью крепи и угольным массивом.

3. Разработанный метод расчета обеспечивает достаточную сходимость теоретических значений производительности гидроразрушения с экспериментальными данными, полученными при отработке пластов в различных горногеологических условиях, включающих: равномерную слоевую структуру на пологих пластах средней мощности; - сложную нарушенную слоевую структуру на крутых пластах средней мощности и мощных.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Гефт Ю.Б. Некоторые результаты исследований гидромониторной выемки на действующих гидрошахтах Кузбасса. //Вопросы гидравлической добычи угля. :Тр. ВНИИгид-роугля. Вып.16. - Новокузнецк, 1969. - С. 8790.

4. Фомичев С.Г. Имитационное моделирование процессов гидравлической выемки угля для обоснования параметров технологии очистных работ. Дисс. канд. техн. наук, - Новокузнецк, ВНИИГидроуголь, 1997 - 190 с.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------

Воротников В.И, Фомичев С.Г., Сенкус В.В. - Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнеций филиал институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк, rector@sibsiu.ru